傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件

第3章應(yīng)變式傳感器3.1工作原理3.2電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償3.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用3.1工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體應(yīng)變式傳感器概述是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量應(yīng)變效應(yīng)分析電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：圖3-1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為式中：dl/l——長度相對(duì)變化量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸殡娮柘鄬?duì)變化量：dA/A——圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr，則材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。推得：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（dρ/ρ）/ε。對(duì)金屬材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε對(duì)半導(dǎo)體材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：式中：π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù);

σ——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力;

E——半導(dǎo)體材料的彈性模量;

ε——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。因此：實(shí)驗(yàn)證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

測(cè)量原理：在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為σ=E·ε

應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖3-2金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)絲式箔式圖3-3常用應(yīng)變片的形式3.2應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1.應(yīng)變片的溫度誤差由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：Rt=R0(1+α0Δt)式中:Rt——溫度為t時(shí)的電阻值；

R0——溫度為t0時(shí)的電阻值；α0——溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，電阻絲電阻的變化值為：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：環(huán)境溫度變化不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時(shí)的長度均為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)（3-22）（3-23）當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí)，電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應(yīng)變?chǔ)纽潞透郊与娮枳兓β分別為由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對(duì)變化量為

結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0,α0,βs）以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。2.葛電拌阻應(yīng)洞變片敬的溫靠度補(bǔ)認(rèn)償方笛法電阻約應(yīng)變社片的續(xù)溫度愿補(bǔ)償勻方法投通常蟲有線謀路補(bǔ)墓償和秧應(yīng)變衫片自用補(bǔ)償輩兩大咽類。鍵1)誤線涌路補(bǔ)喇償法電橋買補(bǔ)償賠是最鋪常用祖且效褲果較朱好的刻線路戒補(bǔ)償沙。圖3剪-8魂電帳橋補(bǔ)庸償法電路斯分析A為由鍬橋臂駕電阻賺和電響源電述壓決皮定的射常數(shù)國。由圾上式律可知惱，用當(dāng)R3和R4為如常數(shù)夢(mèng)時(shí)，R1和RB對(duì)渴電橋疫輸出爽電壓Uo的狼作用閣方向維相反逮。蜘利用唉這一得基本稅關(guān)系偉可實(shí)餐現(xiàn)對(duì)挽溫度模的補(bǔ)夏償。測(cè)量饞應(yīng)變桂時(shí)，欺工作笛應(yīng)變杜片R1粘貼陪在被起測(cè)試模件表慎面上捎，補(bǔ)盈償應(yīng)優(yōu)變片RB粘貼紡在與默被測(cè)川試件疲材料墾完全盈相同芹的補(bǔ)懂償塊鼓上，學(xué)且僅永工作民應(yīng)變牙片承剛受應(yīng)俗變。當(dāng)被枕測(cè)試茫件不查承受顆應(yīng)變猶時(shí)，R1和RB又處祝于同聽一環(huán)化境溫穿度為t的溫?fù)穸葓?chǎng)駱中，棋調(diào)整拜電橋近參數(shù)殺使之繡達(dá)到怨平衡聰，此坦時(shí)有工程惡上，慕一般吐按R1=RB=R3=R4選取談橋臂步電阻瘡。溫度梅補(bǔ)償鄙的實(shí)洋現(xiàn)：當(dāng)溫吩度升翅高或貝降低執(zhí)Δt=t-喘t0時(shí)，培兩個(gè)性應(yīng)變雖片因抱溫度耗而引語起的筑電阻蛛變化披量相雨等，爭(zhēng)電橋襯仍處松于平戀衡狀桌態(tài)，戲即應(yīng)變梯的測(cè)煉量：被窗測(cè)試駐件有膛應(yīng)變?chǔ)诺淖鲀S用，蓄則工寸作應(yīng)掙變片繳電阻R1又有肚新的竊增量涉ΔR1=R1Kε，而括補(bǔ)償癥片因呆不承旺受應(yīng)牲變，關(guān)故不波產(chǎn)生后新的箱增量丈，蕉此時(shí)虧電橋瘦輸出駱電壓挎為可見蘋：電循橋的拋輸出廟電壓Uo僅與夢(mèng)被測(cè)孕試件霞的應(yīng)且變?chǔ)庞嘘P(guān)邁，而司與環(huán)黨境溫鮮度無煤關(guān)。注意緩補(bǔ)償肚條件四：揀①漂在應(yīng)綢變片赤工作蔥過程允中，召保證R3=R4。②R1和RB兩個(gè)食應(yīng)變爸片應(yīng)嚼具有叛相同刮的電腔阻溫蝴度系攤數(shù)α、線椅膨脹麻系數(shù)β、應(yīng)驗(yàn)變靈廁敏度鋪系數(shù)K和初濤始電般阻值R0。③將粘貼裂補(bǔ)償?shù)仄木I補(bǔ)償予塊材稍料和笨粘貼跟工作躍片的腦被測(cè)遺試件胡材料肌必須蔥一樣品，兩折者線淚膨脹測(cè)系數(shù)言相同雹。④歪兩應(yīng)刃變片繡應(yīng)處嗎于同瓜一溫州度場(chǎng)衫。2)藝應(yīng)寸變片掠的自雞補(bǔ)償臨法利用研自身貌具有菌溫度晨補(bǔ)償隆作用沾的應(yīng)織變片唯來補(bǔ)袋償?shù)鸟?。要?shí)鏟現(xiàn)溫元度自袍補(bǔ)償亦，必幣須有刻上式攔表明繩，當(dāng)忘被測(cè)嚇試件它的線意膨脹稀系數(shù)βg已知伏時(shí)，記如果姻合理箏選擇司敏感周柵材伶料，膚即少其電旗阻溫俊度系展數(shù)α0、靈債敏系療數(shù)K0以及丹線膨遭脹系靜數(shù)βs，滿揀足上詳式，士則不贏論溫徹度如貍何變小化，翅均有訪ΔRt/R0=0基，從冶而達(dá)返到溫敏度自嘩補(bǔ)償益的目編的。3.青3耗電阻嚷應(yīng)變手片的向測(cè)量柿電路3.粒3.巧1率直傘流電漁橋1.搭直臘流電嚇橋平堡衡條縱件圖3集-9進(jìn)直財(cái)流電動(dòng)橋當(dāng)RL→∞備時(shí)，掃電橋徹輸出丸電壓餃為當(dāng)電傲橋平把衡時(shí)鍋，Uo=0計(jì)，則鐮有R1R4=R2R3或電橋保平衡駱條件昏：欲使開電橋摸平衡研，擱其相咱鄰兩池臂電潮阻的權(quán)比值克應(yīng)相歷等，詢或畏相對(duì)蔽兩臂臣電阻府的乘黨積應(yīng)擔(dān)相等嗎。電橋頃平衡怖條件2.飲電壓驢靈敏賀度應(yīng)變榮片工嘴作時(shí)縮慧：電詞阻值冊(cè)變化琴很小惡，電企橋相沙應(yīng)輸財(cái)出電執(zhí)壓也姐很小屬，一默般需稍要加華入放大作器進(jìn)行串放大豪。由尺于放謊大器沒的輸紐奉入阻朵抗比劍橋路冰輸出頓阻抗難高很押多，駱?biāo)晕虼藭r(shí)金仍視理電橋裕為開路情況例。當(dāng)受芽應(yīng)變唉時(shí)：伯若應(yīng)艱變片散電阻度變化井為ΔR，其蹲它橋插臂固生定不猶變，曬電橋名輸出扭電壓Uo≠0罪，則撥電橋芝不平葛衡，渣輸出春電壓小為設(shè)橋喚臂比n=R2/R1，由贊于ΔR1<<R1，分仰母中把ΔR1/R1可忽湯略，國并鳥考慮盲到平木衡條梁件R2/R1=R4/R3，朽則上甩式可蹤蝶寫為電橋懶電壓扔靈敏把度定義揉為分析攝：厚①抱電橋衛(wèi)電壓悔靈敏刮度正憶比于窄電橋都供電挎電壓倡，鴉供電亞電壓秋越高監(jiān)，躬電橋茂電壓餡靈敏針度越徑高，礎(chǔ)但供耐電電禍壓的抄提高緒受到危應(yīng)變風(fēng)片允池許功候耗的癢限制教，所聯(lián)以要名作適呢當(dāng)選廢擇；細(xì)②款電橋痕電壓叉靈敏對(duì)度是刻橋臂庫電阻檔比值n的函慎數(shù)，柄恰當(dāng)西地選所擇橋紀(jì)臂比n的值驅(qū)，保初證電飛橋具壺有較戲高的憂電壓雕靈敏竊度。齊？當(dāng)E值確巨定后浮，n取何義值時(shí)放才能坦使KU最高途？分析默：思路咬：dKU/dn=旁0求KU的最始大值求得n=1要時(shí)，KU為最特大值濕。即噴在供清橋電犧壓確籌定后干，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，濾電橋源電壓欠靈敏李度最爭(zhēng)高，壞此時(shí)朽有結(jié)論津：當(dāng)電墻源電且壓E和電喪阻相想對(duì)變余化量陣ΔR1/R1一定比時(shí)，閥電脖橋的扇輸出穴電壓陣及其置靈敏授度也逃是定澡值，漸且與暫各橋受臂電懶阻阻詞值大微小無殼關(guān)。3.宗非線占性誤顛差及查其補(bǔ)蠟償方寸法與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為理想溫情況（略來去分畝母中灘的ΔR1/R1項(xiàng)）蔽：實(shí)際故情況（保單留分臭母中早的ΔR1/R1項(xiàng)）谷：如果峽橋臂牙比n=1賠，蝴則蘿：例如涉：對(duì)于丑一般最應(yīng)變陵片：拉所受垮應(yīng)變?chǔ)磐ǔＨ驹?焰00黨0μ絲式以下家，若洗取KU=2汪，則宇ΔR1/R1=KUε=0挽.0辱1，爪計(jì)算店得非涉線性死誤差墊為0梁.5筒%；嗎若KU=1菌30輩，ε=1暖00主0μ時(shí)，秩ΔR1/R1=0葉.1托30夢(mèng)，則牌得到疏非線偷性誤淋差為逐6%腐，故攤當(dāng)非喉線性煎誤差攪不能嫂滿足均測(cè)量誓要求貸時(shí)，章必須竊予以柿消除糟。圖3衡-1都0概差助動(dòng)電求橋減小膀和消越除非里線性稼誤差予的方奸法半橋跌差動(dòng)：在感試件娛上安聰裝兩志個(gè)工料作應(yīng)顆變片游，一膚個(gè)受痕拉應(yīng)秤變，賭一個(gè)爪受壓騾應(yīng)變璃，懂接入披電橋診相鄰?fù)讟虮垆?。帆該電鄉(xiāng)豐橋輸杠出電習(xí)壓為托若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則執(zhí)得可知隔：Uo與ΔR1/R1成線微性關(guān)啊系，跳無非查線性值誤差怎，而宋且電況橋電誦壓靈搶敏度KU=E/2郵，是詠單臂貪工作房誠時(shí)的區(qū)兩倍召。全橋些差動(dòng)：電擾橋四液臂接天入四漂片應(yīng)跌變片圓，即怖兩個(gè)幼受拉折應(yīng)變織，兩篇個(gè)受責(zé)壓應(yīng)奔變，艇將兩末個(gè)應(yīng)扒變符芝號(hào)相我同的假接入羅相對(duì)篩橋臂部上。守若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則結(jié)論政：全橋門差動(dòng)享電路吸不僅腰沒有您非線笛性誤臥差，用而且勝電壓獨(dú)靈敏蘋度為粗單片燈工作違時(shí)的耽4倍。3.忍3.聾2債交每流電蒸橋引入郵原因替：由于金應(yīng)變演電橋抽輸出趁電壓六很小訓(xùn)，一省般都泄要加草放大森器，妄而直揚(yáng)流放癥大器堪易于聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)零漂拔，因制此應(yīng)夢(mèng)變電澡橋多撤采用值交流言電橋紫。槽由于附供橋低電源宿為交捕流電倘源膜，引憑線分旅布電謎容使扔得二衣橋臂偵應(yīng)變掌片呈瞞現(xiàn)復(fù)講阻痕抗特培性，參即相顯當(dāng)于幼兩只耽應(yīng)變至片各強(qiáng)并聯(lián)漲了一清個(gè)電蒙容。圖3像-1渾1津交厭流電郵橋式中掏,C1、C2表示者應(yīng)變幅片引右線分辰布電渾容。每一薪橋臂發(fā)上復(fù)劣阻夜抗分監(jiān)別為交流暗電橋耳輸出井：電橋福平衡腫條件：Uo=0辮，即Z1Z4=Z2Z3整理吐可得變形揪為：交流繁電橋蠶的平籮衡條解件（實(shí)品部、擠虛部死分別眾相等動(dòng)）：圖3森-1奮2貢交渣流電黑橋平礦衡調(diào)聯(lián)節(jié)當(dāng)被稈測(cè)應(yīng)惜力變研化引嘴起Z1=Z10+ΔZ,Z2=Z20－ΔZ變化列時(shí)（Z10=Z20=Z0），截則電壞橋輸豈出為3.耽4居應(yīng)矛變式甲傳感略器的茫應(yīng)用應(yīng)變廢片能臘將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換旱成電獻(xiàn)阻的司變化其他閉物理監(jiān)量（侮力、慶壓力益、加小速度持等）崇，需廁先將幅這些魄量轉(zhuǎn)霉換成像應(yīng)變徐－彈庭性元性件應(yīng)變剛式傳堪感器覽的組若成：辣彈性挖元件永、應(yīng)武變片賄、附疏件（行補(bǔ)償拆元件秒、保廟護(hù)罩解等）3.序4.啊1仙應(yīng)及變式酒力傳鍋感器被測(cè)葉物理共量：鎮(zhèn)荷重溪或力主要農(nóng)用途元：作禁為各碌種電堅(jiān)子稱辰與材兩料試死驗(yàn)機(jī)釀的測(cè)斃力元誦件、餅發(fā)撒動(dòng)機(jī)黨的推指力測(cè)幫試、驅(qū)水媽壩壩思體承再載狀永況監(jiān)易測(cè)等澇。煉力傳杯感器葵的彈食性元蒸件：申柱式繡、筒側(cè)式、釋環(huán)式鎖、懸菊臂式器等圖3耀-1糧3呀圓柱廢（筒寺）式茅力傳太感器畜（a忽）墳柱式低；（挑b）痰筒錢式；選（c況）接圓柱雕面展劈燕開圖檔；（努d）沒橋區(qū)路連統(tǒng)線圖1.必柱（扇筒）另式力文傳感丑器2.絨環(huán)境式力喇傳感繪器圖3臂-1旬4氣環(huán)式瘦力傳悉感器(a伶)仗環(huán)式縱傳感沙器結(jié)集構(gòu)圖痛；鮮(b只)銹應(yīng)力家分布對(duì)R/h>5兵的小我曲率纏圓環(huán)耽：A、涼B兩點(diǎn)泛的應(yīng)察變。這樣替，州測(cè)出A、拌B處的豬應(yīng)變蘇，價(jià)即可翼得到滾載荷F。內(nèi)貼勤取“很一”內(nèi)貼微取“妙＋”式中搞：h——挽圓環(huán)其厚度扎；b——秧圓環(huán)察寬度奧；E——矛材料億彈性濫模量鋸。3.普4.碧2婆應(yīng)椒變式念壓力梯傳感皆器主要國用來彼測(cè)量沃流動(dòng)端介質(zhì)悔的動(dòng)帆態(tài)或棗靜態(tài)娘壓力應(yīng)變攪片壓地力傳基感器密大多床采用拌膜片鑰式或埋筒式懇彈性淋元件輝。娛在壓蜜力p作用御下，瘡膜片眨產(chǎn)生眾徑向繭應(yīng)變?chǔ)舝和切屈向應(yīng)刪變?chǔ)舤，表災(zāi)達(dá)式理分別晝?yōu)閳D3歷-1磨5曉膜拐片式溉壓力投傳感旨器（a傍）金應(yīng)變版變化吹圖;邀（b沖）始應(yīng)變思片粘薪貼應(yīng)變協(xié)變化敬曲線叢的特陳點(diǎn)：當(dāng)x=0例時(shí)，εrm戚ax=εtm旱ax；當(dāng)x=懷R時(shí)，εt=0撲，εr=－犁2εrm腫ax?；萏攸c(diǎn)物的應(yīng)臨用：一宋般在應(yīng)平膜踏片圓專心處暢切向郵粘貼R1、R4兩個(gè)剪應(yīng)變卻片，軌在局邊緣飲處沿演徑向囑粘貼R2、R3兩個(gè)更應(yīng)變瘋片，傻然后宅接成良全橋些測(cè)量質(zhì)電路帥。夠避開龜位引置。3.的4.獲3同應(yīng)欄變式卵容器謊內(nèi)液臉體重努量傳枕感器牲感壓財(cái)膜感旱受上幕面液樣體的塘壓力域。熄當(dāng)容